JP5339984B2

JP5339984B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP5339984B2
Application number: JP2009075648A
Authority: JP
Inventors: 和範石川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010228016A

Description

本発明は、基体の表面に被覆層が形成された切削工具に関する。

切削工具においては、より高い耐摩耗性のために、表面に被覆層を形成して切刃の耐摩耗性を向上することが行われているが、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）法により被覆層を成膜する場合には、被覆層の表面にドロップレットが生成してしまい、このドロップレットの存在状態を制御する方法が検討されている。

例えば、特許文献１では、成膜条件と厚みを制御して粗大粒子（ドロップレット）の発生を抑制することが記載されている。また、特許文献２において、本出願人は、成膜の途中または終了時にボンバード処理をする等の方法を用いて、切刃（エッジ）部のドロップレットを選択的に除去する方法を提案した。

特開２００２−３４６８１２号公報特開２００７−１１８１２６号公報

しかしながら、特許文献１のように、成膜条件と厚みの制御によってドロップレットをなくした被覆層においてもさらなる耐摩耗性の向上が求められ、またこの方法では被覆層の厚みを厚くすることができないという問題があった。さらに、特許文献２のように、成膜の途中または終了時にボンバード処理を行う方法では、成膜時間が長くなるというデメリットがあり、また被覆層を厚くするとチッピングが発生することもあった。

本発明は、切刃の各位置において最適な性能を発揮できる被覆層の構成からなる切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、基体の表面に５〜１５μｍの厚みの被覆層を被覆され、ノーズ切刃および直線切刃が配設されてなり、ノーズ切刃におけるホーニング幅が直線切刃におけるホーニング幅よりも大きくなるように設けられ、かつ前記被覆層の少なくとも表面にドロップレットが分散して露出しているとともに、前記ノーズ切刃の位置に露出する前記ドロップレットの平均直径が前記直線切刃の位置に露出する前記ドロップレットの平均直径に比べて小さいことを特徴とする。

ここで、前記被覆層の表面の前記ノーズ切刃位置に存在する前記ドロップレットの面積比率が５〜３５面積％であり、前記被覆層の表面の前記直線切刃位置に存在する前記ドロップレットの面積比率が５〜５０面積％であるとともに、その差が１５面積％以下であることが望ましい。

また、前記被覆層の前記ノーズ切刃の位置における厚みが前記直線切刃の位置における厚みよりも厚いことが望ましい。

本発明の切削工具によれば、直線切刃においては大きなドロップレットが切削加工中に被覆層から脱落して、その跡にドロップレットと同径程度のくぼみが発生する。そこに切削油が浸入するので、潤滑性が向上して切屑の排出性を高めることができる。これに対して、欠損の起きやすいノーズ切刃ではドロップレットが直線切刃に露出するドロップレットの直径に比べて小さいので、ドロップレットが脱落した跡からクラックが発生することが少なく、被覆層の欠損を抑制できる。

ここで、上記構成において、前記被覆層の表面の前記ノーズ切刃位置に存在する前記ドロップレットの面積比率が５〜３５面積％であり、前記被覆層の表面の前記直線切刃位置に存在する前記ドロップレットの面積比率が５〜５０面積％であるとともに、その差が１５面積％以下であることが、切刃の各位置における耐欠損性および耐摩耗性を最適化できるために望ましい。

また、前記被覆層の前記ノーズ切刃の位置における厚みが前記直線切刃の位置における厚みよりも厚い場合には、被覆層の表面に露出するドロップレットの状態を上記の構成に制御することが容易である。

本発明の切削工具の好適例である溝入加工用のスローアウェイチップについての概略斜視図である。図１のチップを（ａ）上方から見た概略図、（ｂ）先端方向から見た概略図である。図２（ａ）のＡ−Ａ断面図（Ａ）、Ｂ−Ｂ断面図（Ｂ）、Ｃ−Ｃ断面図（Ｃ）である。図３のＡ−Ａ断面図の前切刃４、Ｂ−Ｂ断面図のノーズ切刃７、Ｃ−Ｃ断面図の横切刃５のそれぞれの切刃の表面から被覆層を観察したＳＥＭ写真（１）（２）（３）である。図１のチップの被覆層の成膜方法の一例であるアークイオンプレーティング成膜装置の模式図である。

本発明の切削工具について、その好適例である溝入加工用のスローアウェイチップについての概略斜視図である図１、図１のチップを（ａ）上方から見た概略図、（ｂ）先端方向から見た概略図である図２、図２（ａ）の（Ａ）Ａ−Ａ断面図、（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、（Ｃ）Ｃ−Ｃ断面図である図３、図３のＡ−Ａ断面図の前切刃４、Ｂ−Ｂ断面図のノーズ切刃７、Ｃ−Ｃ断面図の横切刃５のそれぞれの切刃の表面から被覆層を観察したＳＥＭ写真（１）（２）（３）である図４を基に説明する。

図１に示すように、スローアウェイチップ（以下、単にチップと称す。）１は、略直方体形状のチップ本体２と、チップ本体２の端部上面に設けられたすくい面３と、すくい面３の先端縁および両端縁にそれぞれ設けられた前切刃４および横切刃５との直線切刃６を備えており、前切刃４と横切刃５との交差部分にはノーズ切刃７が形成されている。また、図３に示すように、前切刃４と横切刃５との直線切刃６、およびノーズ切刃７にはホーニングが施されており、チップ１は基体１１の表面が被覆層１０で覆われている。なお、前切刃４に続く側面には前逃げ面８が、横切刃５に続く側面には横逃げ面９が形成されている。また、すくい面３上にはブレーカ突起２０が形成されている。

ここで、チップ１は、図３に示すように、すくい面３から見たチップ１のノーズ切刃７におけるホーニング幅が直線切刃６（前切刃４および横切刃５）におけるホーニング幅よりも大きい。また、図４に示すように、被覆層１０にはドロップレット１２が分散しており、このドロップレット１２が少なくとも表面に露出しているとともに、被覆層１０の表面のノーズ切刃７の位置に露出するドロップレット１２の平均直径が被覆層１０の表面の前切刃４の位置に露出するドロップレット１２の平均直径に比べて小さい構成となっている。

これによって、直線切刃６においては大きなドロップレット１２が切削加工中に被覆層１０から脱落して、その跡にドロップレット１２と同径程度のくぼみが発生する。そこに切削油が浸入するので、潤滑性が向上して切屑の排出性を高めることができる。これに対して、欠損の起きやすいノーズ切刃７では直線切刃６に比べてドロップレット１２の直径が小さいのでドロップレット１２が脱落した跡でもクラックが発生することなく、被覆層１０の欠損を抑制させて耐欠損を損なわないようにできる。

ここで、被覆層１０の表面のノーズ切刃７の位置に存在するドロップレット１２の面積比率が５〜３５面積％であり、被覆層１０の表面の直線切刃６の位置に露出するドロップレット１２の面積比率が５〜５０面積％であるとともに、その差が１５面積％以下であることが、各切刃（４、５、７）における耐欠損性および耐摩耗性を最適化できるために望ましい。

そして、チップ１における被覆層１０の厚みは、５〜１５μｍであり、この範囲の厚み
を有していることにより、ドロップレット１２を上記構成に制御することが容易である。さらに、被覆層１０のノーズ切刃７の位置における厚みが前切刃４の位置における厚みよりも厚い場合も、ドロップレット１２を上記構成に制御することが容易である。

なお、チップ１は、図３に示すように、前切刃４におけるすくい角α_１がノーズ切刃７におけるすくい角α_２よりも大きくなっている。この構成によって、ノーズ切刃７の耐欠損性を向上させるという効果がある。

また、チップ１を構成する基体１１は、例えば超硬合金、サーメット、セラミックス、ダイヤモンド、ｃＢＮ等の硬質焼結体からなる。

（製造方法）
上記のチップを製造する方法について、その具体的な一例を挙げて説明する。まず、原料粉末を所定の割合に混合して所定の形状に成形し、焼成する。次に、この焼結体に対して所望によって表面研削加工を施した後、切刃部分にホーニング加工を施す。本発明によれば、ブラシ研磨によってホーニング加工を行うとともに、チップのノーズ切刃がブラシの毛先に対して対向する向きに載置してホーニング加工を行う。なお、ノーズ切刃が複数あるチップについては各ノーズ切刃が順にブラシの毛先に対して対向する向きとなるように載置して加工を行う。

次に、焼成後の基体１１に被覆層１０を形成する。被覆層１０の成膜方法としてはイオンプレーティング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。詳細な成膜方法の一例について、アークイオンプレーティング成膜装置（以下、ＡＩＰ装置と略す。）５０の模式図である図５を参照して説明する。

図５のＡＩＰ装置５０は、真空チャンバ５１の中にＮ_２やＡｒ等のガスをガス導入口５２から導入し、カソード電極５３とアノード電極５４とを配置して、両者間に高電圧を印加してプラズマを発生させ、このプラズマによってターゲット５５から所望の金属あるいはセラミックスを蒸発させるとともにイオン化させて高エネルギー状態とし、このイオン化した金属を試料（基体１１）の表面に付着させて、基体１１の表面に被覆層１０を被覆する構造となっている。また、図５によれば、基体１１は試料支持冶具５６に設けられた複数の試料支持部５８それぞれにすくい面がターゲット５５に対向するように載置されてタワー５７が複数（図５では試料支持冶具５６が８セット、タワー５７が２セット図示されている。）配置された構成となっている。また、タワー５７および試料支持冶具５６はそれぞれ回転しており、各試料が順にターゲット５５に対向して被覆層の厚みは均一となるように配慮されている。この構成によって、各試料の切刃全周の厚みばらつきを小さくできるので、全体の厚みが厚くなっても部分的に欠損しやすい部分ができにくい。

さらに、図５によれば、基体１１を加熱するためのヒータ５９と、ガスを系外に排出するためのガス排出口６０と、基体１１にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源６１が配置されている。そして、ターゲット５５を用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させることにより、基体１１の表面に被覆層１０が堆積する。

なお、ターゲット５５としては、例えば、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、これらを複合化した合金ターゲット、これらの化合物粉末または焼結体からなる混合物ターゲットを用いることができる。

また、プラズマを発生するためにはアーク放電やグロー放電などを用い、導入ガスとしては窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスを用いることができる。そして、窒素（Ｎ_２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを流した状態で成膜する。また、成膜時のバイアス電圧は被覆層１０の内部応力を小さくするために３０〜１２５Ｖに設定することが望ましい。

ここで、本発明においては、成膜時のバイアス電圧を５０V以下、特に１０〜３０Vとして成膜するとともに、被覆層の厚みを５〜１５μｍ、望ましくは８〜１２μｍとすることによって、上述した構成の被覆層を形成することができる。

ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末およびＶＣ粉末を混合し、これにバインダとしてパラフィンを添加、造粒して平均粒径１００μｍの造粒粉末を調整した。次に、所定部分が図１に示す断面の形状で、図１のスローアウェイチップ（チップの厚み（成形体部の高さ）ｔ_１＝４．３ｍｍ、前切刃逃げ角β_１＝４．５°、横切刃逃げ角β_２＝６°、前切刃の角部におけるすくい角α_１＝６．０°、前切刃の中央部におけるすくい角α_２＝１４．５°）のポジチップ（京セラ製スローアウェイチップＧＭＭ３０２０−０４０ＭＷ）の形状に成形し、この成形体を脱バインダ処理して真空焼成して、逃げ面となる側面について研削加工を行い、ブラシ研磨によるホーニング加工を行った。ブラシ研磨に際してはブラシの毛先に対する向きを加工の途中で変えながら表１の幅となるようにホーニング加工を行った。なお、表１においては、ホーニング幅をすくい面から見た際の研磨幅で示した。

その後、図６の状態で試料を成膜装置内に載置して、窒素（Ｎ_２）ガスをチャンバ内に導入してＰＶＤ法によって表１に示す条件の被覆層を成膜してチップを作製した（試料Ｎｏ．１〜６）。

得られたチップの被覆層の表面および断面についてＳＥＭ観察を行い、被覆層の厚み、ドロップレットの存在状態（表中、ドロップレットの粒径と記載）を観察した。結果は表１に示した。

そして、このチップをホルダに装着して以下の切削試験を行い、切削性能（耐摩耗性評価、耐欠損性評価）を行った。
（耐摩耗性試験）
切削方法：溝入れ加工
被削材：ＳＮＣＭ４３９
切削速度：２００ｍ／分
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：１０．０mm
切削状態：湿式
評価方法：１５０分を上限として切削を行い、欠損が生じるまでの加工時間を評価した。なお、１５０分加工しても欠損しなかった試料については、そのチップの前逃げ面摩耗量を測定した。なお、前逃げ面摩耗量測定の際にはホーニング長さを摩耗量に含めないようにして測定した。
（耐欠損性試験）
切削方法：溝入れ加工
被削材：ＳＣM４４０（５ｍｍ溝×４本入り）
切削速度：１５０ｍ／分
送り：０．１〜０．５ｍｍ／ｒｅｖ（高送り試験）
切込み：１．５mm
切削状態：乾式
評価方法：1パス毎に送りを０．０３ｍｍ／ｒｅｖずつ上げる端面高送り試験を行い、切刃に欠損が生じた送りを測定した。結果は表２に示した。

表１、２の結果から明らかなように、被覆層の厚みが５μｍより薄い試料Ｎｏ．５ではノーズ切刃と直線切刃におけるドロップレットの平均粒径が同じとなり、ノーズ切刃と直線切刃でのホーニング幅が同じ試料Ｎｏ．６でもノーズ切刃と直線切刃におけるドロップレットの平均粒径が同じとなり、いずれも加工可能時間が短くなった。

これに対して、本発明に従い、直線切刃におけるドロップレットの平均粒径がノーズ切刃よりも大きい試料Ｎｏ．１〜４では、いずれも耐欠損性および耐摩耗性に優れたものであった。

１スローアウェイチップ（チップ）
２チップ本体
３すくい面
４前切刃
５横切刃
６直線切刃
７ノーズ切刃
８前逃げ面
９横逃げ面
１０被覆層
１１基体
１２ドロップレット
２０ブレーカ突起
５０ＡＩＰ装置
５１真空チャンバ
５２ガス導入口
５３カソード電極
５４アノード電極
５５ターゲット
５６試料支持冶具
５７タワー
５８試料支持部
５９ヒータ
６０ガス排出口
６１バイアス電源
α_１前切刃のノーズ切刃近くにおけるすくい角
α_２前切刃の中央部におけるすくい角

Claims

基体の表面に５〜１５μｍの厚みの被覆層を被覆した切削工具において、該切削工具にはノーズ切刃および直線切刃が配設され、前記ノーズ切刃におけるホーニング幅が前記直線切刃におけるホーニング幅よりも大きくなるように設けられており、かつ前記被覆層の表面にドロップレットが分散して露出しているとともに、前記ノーズ切刃の位置に露出する前記ドロップレットの平均直径が前記直線切刃の位置に露出する前記ドロップレットの平均直径に比べて小さいことを特徴とする切削工具。
前記被覆層の表面の前記ノーズ切刃の位置に存在する前記ドロップレットの面積比率が５〜３５面積％であり、前記被覆層の表面の前記直線切刃の位置に存在する前記ドロップレットの面積比率が５〜５０面積％であるとともに、その差が１５面積％以下であることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
前記被覆層の前記ノーズ切刃の位置における厚みが前記直線切刃の位置における厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１または２記載の切削工具。